東亮珠河流域生態流量分析與確定

高雅琪，戴長雷，高宇，陳 末

(1.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

生態流量是保持河湖等水環境生態系統結構和功能的重要指標[1]，也是加強水資源開發利用管理和控制、促進河湖生態保護和恢復的基本要求。計算生態流量常用的方法包括水文學法、水力-棲息地法和整體法等，不同計算方法的適用條件和范圍不同[2]，參照已有研究基礎，基于中和水文站多年天然徑流數據采用Qp法、Tennant法來推求生態流量，確定生態流量保障目標。

1 研究區概況

1.1 自然地理

東亮珠河是松花江右岸的二級支流，曾經是珍珠的主要產地之一，因此被命名東亮珠河，起源于哈爾濱市尚志市亮河鎮內東部大禿頂子山與東山的九道和七道溝之間[3]，經尚志市躍進林場、華山林場、亮河鎮慶陽鎮、延壽縣中和鎮、慶陽農場、加信鎮和方正縣永建鄉、寶興鄉，從延壽縣的加信鎮利民屯匯入螞蟻河，河長138km，河寬25～60m，水深0.5～1.3m。東亮珠河流域面積為2608km2，其中尚志1972km2，延壽586km2、方正50km2。河流上游比降2.2%，河源到河口平均比降4.2%。主要支流有東南岔河、老母漠河、西亮珠河、小西河、小黃泥河、撫安河、細鱗河等。流域地勢由南、北向中部傾斜，最低處海拔110m。

1.2 氣象水文

東亮珠河流域的冬季漫長并且寒冷，春季干旱并且風大，夏季偏短，同時暴雨洪水期集中并且易澇，秋季降雨多急驟，所在地區位于中溫帶大陸性季風氣候區。東亮珠河流域多年平均水資源總量為8.29億m3，其中地下水資源量為2.91億m3，地表水資源量為7.98億m3，重復計算量2.6億m3。多年降水量在620mm上下浮動，年際和年內分配不均，在5—9月的徑流量較多，占全年徑流的73.39%。河流的封凍時間為135～165d，河心最大冰厚1.4m。年平均風速為4.4m/s，最大風速為30m/s。

1.3 水資源開發利用

根據《2019年哈爾濱市水資源公報》，東亮珠河流域內尚志市、延壽縣、方正縣2019年水資源開發利用程度分析，見表1。

表1 東亮珠河流域水資源開發利用程度分析 單位：億m3

2 數據來源與計算方法

2.1 控制斷面選擇

生態流量是指維持河流最基本生態功能而不枯竭所需要的流量[4]。東亮珠河的水生態安全正面臨較大壓力，山水林田湖草缺乏全面、系統的保護，影響了資源可持續利用和經濟社會的可持續發展。保障東亮珠河河道內生態需水、維持水系的通暢循環和良好的水質是保持河流生態系統健康發展的關鍵。生態流量(水量)保障的目標是控制水資源的開發強度，協調生活用水、生產用水和生態用水，維護東亮珠河河流的廊道功能，維持河流基本形態、基本生態廊道、基本自凈能力等[5]。

圖1 東亮珠河流域圖

東亮珠河流域內涉及尚志市、延壽縣和方正縣，均以農業用水為主。東亮珠河流域面積較小，利用現有水文站作為控制斷面，對下泄水量和流量進行監測和考核，與重要生態敏感的區域和保護對象的分布所結合，考慮生態問題和生態良好2方面的斷面情況，綜合考慮東亮珠河流域水資源、開發利用、水資源調度和管理等情況，確定方正縣中和水文站做為東亮珠河流域生態流量控制斷面。徑流系列選擇中和水文站1956—2016年徑流量數據，分析斷面豐水年、平水年、枯水年來水情況。

2.2 計算方法

針對東亮珠河流域封凍期較長的特點，確定生態基流分期為汛期(6—9月)、非汛期(4—5月、10—11月)、和冰凍期(1—3月、12月)進行計算。本次選用Qp法和Tennant法計算考核斷面生態流量。由于東亮珠河冰凍期來水量較小，且冰凍期東亮珠河干流沿線基本無取用水戶，因此，冰凍期生態流量下泄原則為來多少泄多少，其他時段按汛期、非汛期計算。

(1)Qp法

Qp法又稱不同頻率下最枯月平均值法，此方法利用30年及以上的天然月平均流量或其徑流量數據資料，計算不同頻率下的最枯月平均流量或徑流量，即為生態環境所需水量的最小值[6- 7]。頻率p一般取為90%或95%。

本次選取汛期、非汛期時段內最枯月天然平均流量，用各時段內最枯月排頻，選取95%頻率下最枯月平均流量作為汛期、非汛期生態流量。

(2)Tennant法

Tennant法[6- 7]屬于標準測定法，也稱Montana法。它是以事先明確的多年平均流量百分比作為基礎，根據所觀測數據，確定一年內不同時期的生態環境需水量，并建立河流生態環境狀況與其流量之間的經驗關系。

本次生態流量(水量)計算中，選取多年平均流量的20%作為汛期生態流量，選取多年平均流量的10%作為非汛期生態流量。

3 生態流量結果與分析

3.1 水文資料代表性分析

(1)年際變化

變差系數Cv，年極值比ρ和不均勻系數Cu這3個統計參數常用來表示徑流系列的年際變化特征。不均勻系數Cu反映的是徑流系列年際變化的不均勻性，它是由徑流系列的多年平均值與最大觀測值的比值計算得出，Cu值越趨近于1，說明該徑流系列年際變化均勻性越好[8- 14]。根據中和水文站1956—2016年共61年的徑流系列資料進行分析計算，中和水文站斷面的多年平均徑流量為55079.71萬m3，徑流系列的極值比、變差系數比以及不均勻系數這3個參數分別為6.38、0.35、0.39。從3個統計參數(變差系數、不均勻系數、徑流極值比)的計算結果來看，可以表明中和水文站斷面徑流系列年際間豐枯變化幅度較大，年際變化不均勻且十分劇烈。中和水文站斷面徑流的年際變化過程線，如圖2所示。

圖2 中和水文站斷面徑流年際變化過程線

(2)年內分配

東亮珠河流域徑流的來源主要在于降水補給，流域內徑流的年內分配不均勻，使得在5—9月份徑流量較為集中，占全年徑流的73.39%。中和水文站斷面徑流量年內分配情況，年內各月徑流變化如圖3所示。

圖3 中和水文站斷面年多年平均徑流量年內變化

3.2 斷面生態流量

通過Qp法、Tennant法分析計算各期生態流量，中和水文站斷面生態流量目標，見表2。

表2 中和水文站斷面年生態流量目標計算結果匯總表 單位：m3/s

3.3 生態流量保障結果評定

遵循河流自然水文節律，對于豐枯變化大、工程調控能力弱的斷面，生態流量計算可以采用Qp法(p取90或95)[15- 16]。東亮珠河降水主要集中在6—9月，豐、平、枯3個水期差異明顯，汛期、非汛期季節性變化較大，因此本次生態流量(水量)選取Q95%法計算成果，作為本流域生態流量保障目標，評價時長為日。

評價方法采用1956—2016年61年系列逐日實測流量資料進行評價，保障程度為各分期61年逐日流量達到或超過生態流量目標值的天數與各分期總天數的比值。經計算，滿足程度見表3。

圖4 中和水文站斷面汛期Qp流量頻率曲線圖

圖5 中和水文站斷面非汛期Qp流量頻率曲線圖

表3 中和水文站斷面生態流量滿足情況表 單位：%

從計算結果上看，中和水文站斷面非汛期(4—5月、10—11月)生態流量滿足程度為92.4%，汛期(6—9月)生態流量滿足程度為95.8%，滿足90%保證率的目標要求。

3.4 生態流量保障措施

(1)建立監管組織機構

為了保障東亮珠河的生態流量，可以組建水量調度管理協調小組，小組主體由哈爾濱市水務局、方正縣水務局、延壽縣水務局和尚志市水務局組成，地理優勢明顯并且對情況相對了解，可做出準確的判斷。調查小組要把工作重點落實到負責實施流量調度的具體工作，其中包括生態流量調度方案的執行、監測、評估等，并對工作中存在的具體問題和有關事項進行商討和確定。同時加強水資源的統一化管理也是迫在眉睫，可以將東亮珠河生態流量保障納入相關市(縣)年度重點工作目標任務，并且完善考核監督問責，同時做好組織實施和監督管理工作，有利于工作落實到位。

(2)完善監測體系和監測手段

對東亮珠河主要控制斷面的流量以及沿河主要取水口進行實時監測工作，并結合取用水專項整治行動核查系統平臺和生態流量監測預警系統，通過集考核評估、監測預警、網絡互聯等功能于一體的生態流量管控信息平臺來進行數據共享和程序調用。有利于解決目前東亮珠河流域生態流量監管在評存在的突出問題，為所在流域內的各地組織開展生態流量的保障工作以及提供技術支撐。

4 結論

基于中和水文站1956—2016年徑流量數據，依據Qp法、Tennant法評價，確定東亮珠河流域生態流量目標，分析河流生態流量保障程度不滿足原因，得出5條結論。

(1)根據中和水文站1956—2016年徑流量數據計算，中和水文站斷面生態流量目標方法采用Qp法(p=95%)；此計算方法的計算結果滿足河流生態目標的需求，計算結果較合理。

(2)計算得到東亮珠河汛期最小生態流量為3.74m3/s，出現在6—9月；非汛期最小生態流量為1.58m3/s，出現在4—5月、10—11月。

(3)本文生態流量計算方法均屬于水文學方法，以后還需用水力-棲息地法和整體分析法等方法對東亮珠河生態流量做深入的研究與分析。

(4)流域內的地表水資源較為豐富，利用程度卻偏低。但是由于灌區內渠道工程不配套，缺少控制性蓄水工程，造成灌溉面積不穩定，灌區面積遠未達到設計面積。

(5)地下水超載嚴重，流域現狀年地下水供水量2.1億m3，而地下水可開采量為1.14億m3，由于過多地開采地下水造成了水源供水能力不足，引起局部地下水資源超載，也制約了經濟社會穩定發展。